模拟电子技术基础讲义1.doc

模拟电子技术基础讲义1
第一章半导体基础知识
〖本章主要内容〗
本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义,工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管(BJT和FET)的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。〖本章学时分配〗
本章分为4讲,每讲2学时。
第一讲常用半导体器件
一、主要内容
1、半导体及其导电性能
根据物体的导电能力的不同,电工材料可分为三类:导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料,半导体的电阻率为10~10 ??cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及***化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别:当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化;往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时,会使它的导电能力具有可控性;这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能
本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。%,常称为“九个9”,它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象
当导体处于热力学温度0 K时,导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电,成为自由电子。这一现象称为本征激发(也称热激发)。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡,此时,载流子浓度一定,且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理
自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,因此,在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子(即载流子),这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子(共价键中的束缚电子)依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电,而电子的运动与空穴的运动方向相反,因此认为空穴带正电。
5、杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。在本征半导体中掺入五价元素(如磷),就形成N型(电子型)半导体;掺入三价元素(如硼、镓、铟等)就形成P型(空穴型)半导体。
杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关,掺-3-9
杂浓度越大、温度越高,其导电能力越强。
在N型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
多子(自由电子)的数量=正离子数+少子(空穴)的数量
在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
多子(空穴)的数量=负离子数+少子(自由电子)的数量
6、PN结的形成及其单向导电性
半导体中的载流子有两种有序运动:载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。同一块半导体单晶上形成P型和N型半导体区域,在这两个区域的交界处,当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时,空间电荷区(亦称为耗尽层或势垒区)的宽度基本上稳定下来,PN结就形成了。
当P区的电位高于N区的电位时,称为加正向电压(或称为正向偏置),此时,PN结导通,呈现低电阻,流过mA级电流,相当于开关闭合;
当N区的电位高于P区的电位时,称为加反向电压(或称为反向偏置),此时,PN结截止,呈现高电阻,流过μA级电流,相当于开关断开。
PN结是半导体的基本结构单元,其基本特性是单向导电性:即当外加电压极性不同时,PN结表现出截然不同的导电性能。
PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。这正是PN结具有单向导电性的具体表现。
7、PN结伏安特性
?T?i?IS?e?1??? PN结伏安特性方程:
i?ISe当u>0且u >>UT时,
当u<0且︱u︱&gt;&gt;UT时,T 式中:Is为反向饱和电流;UTT=300K时,UT≈26mV ,伏安特性呈非线性指数规律; i??IS?0,电流基本与u无关;由此亦可说明PN结具有单向导电性能。
PN结的反向击穿特性:当PN结的反向电压增大到一定值时,反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN结的反向击穿有两类:齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿,若对其电流不加以限制,都可能造成PN结的永久性损坏。
8、PN结温度特性
当温度升高时,PN结的反向电流增大,正向导通电压减小。这也是